真空預壓法加固吹填土地基的仿真分析方法

諸葛愛軍，劉天韻，陳智軍

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

在工程造價和綠色環保的雙重要求下，圍海造陸工程的填料多選用疏浚土。海底淤泥疏浚土本身顆粒細密，加之吹填過程中的水力分選作用，導致吹填形成地基土上部為具有一定厚度的超軟土。新近的超軟土地基沒有經過長時間的沉淀，其先期固結壓力幾乎為0，因此相比于普通地基存在諸多問題，尤其是在不均勻沉降方面問題較大，工后沉降量有時會高達2 m多，較大的不均勻沉降量將導致建筑物產生裂縫甚至發生破壞。對吹填土地基進行有效加固，具有重要意義。

有限單元法是20世紀六七十年代發展起來的一種應用廣泛且有效的數值分析方法，其實質就是利用數學近似的方法對實際的物理系統進行抽象模擬，以單元為中介，用有限未知量來逼近無限未知量的真實系統。運用有限元法對吹填土地基進行分析的學者很多，鄔宜蘭[1]采用Abaqus有限元軟件建立模型，計算出堆載預壓過程各時刻土體的沉降、位移、孔隙水壓力等數據，分析了飽和軟土地基在多級加載下的復雜的細觀力學行為和宏觀變形特征。朱峰[2]利用FLAC3D有限差分軟件對強夯+井點降水+塑料排水板軟基處理進行了研究。王旭升[3]首次實現了砂井地基固結的一維有限差分模擬（自編模擬程序為 SDDM），得到非完整砂井地基單井固結的固結度曲線。王曉平[4]利用FLAC 3D軟件對強夯加固技術在軟土地區路基填筑及地基處理中的應用進行了研究。曹延亮[5]基于現場竹網堆載管井排水加固超軟土地基試驗模型，建立了竹網堆載管井排水加固超軟土地基的有限元數值分析模型，數值分析結果表明，4級加載穩定后固結度達到 97.7%，表層沉降速率≤1 mm/d，分析結果驗證了設計方案的合理性。但在實際工程中[6-7]，運用真空預壓法加固吹填土地基的過程十分復雜，主要可分為“抽真空前期和抽真空加固期”兩部分，抽真空前期因為準備工作的開展會使地基產生一定的沉降，但其主要沉降量均為抽真空加固期的沉降量，地基的總沉降量為兩個過程的共同作用結果，以上學者的研究對象多為抽真空加固期地基土體的變化，未考慮準備期的影響。

本文以連云港某吹填土加固工程為依托，運用有限元仿真方法，將抽真空前期的荷載進行等效，重點分析抽真空過程中吹填土地基的沉降量和孔隙水壓力的變化，并將計算結果同現場實測結果進行對比，明確該方法的準確性。

1 工程概況

本依托工程位于連云港徐圩港區某吹填土地基加固工程，原地基為吹填形成的陸域，不能直接作為地基使用，需要進行加固。其土體分布及各物理力學參數見表1。采用常規式真空預壓施工工藝加固軟土地基，試驗場區表面鋪設0.5 m厚中粗砂，塑料排水板采用標準板，間距1 m，正方形布置，深度18 m。設計真空度85 kPa，有效抽真空時間150 d。

表1 地基土體參數Table 1 Parameter of foundation soil properties

2 模型的建立

采用ABAQUS中的soil分析步作為分析土體變形和孔壓變化的主要分析步。結合工程的施工過程，分別建立初始邊界—淺層加固—插板期間—深層加固—停泵分析步，每個分析步計算時繼承上一步的應力、應變、孔隙比和超孔壓。

為消除邊界影響，建立寬28 m、深50 m的土體模型，如圖1所示。排水板深度為21 m、間距0.7 m，采用直接施加孔壓邊界的方法，模擬排水板傳遞真空度和排出孔隙水的功能。土體選用摩爾—庫倫本構模型，約束土體側面的水平向變形，約束土體底面水平向和豎向的變形。選用帶孔壓自由度的CPE4P單元模擬土體，土體水平向網格間距為0.175 m，插排水板區域的土體豎向間距為0.5 m，無排水板區域豎向網格間距從0.5 m逐漸增大至1.5 m，共劃分11 840個網格。模擬中首先設置地應力分析步，還原土體內部的應力場。然后采用soil分析步模擬真空預壓施工過程中土體排水固結的全過程，排水時間和現場施工工程相同。由于將三維固結過程轉化成二維模型進行模擬時，排水板被等效成排水墻，因此需要對土體的滲透系數進行調整。

圖1 有限元分析模型Fig.1 FEA model

工程施工過程荷載包括欠固結土自重載荷、真空預壓等。設置對應排水板位置處土體節點的超孔壓為負值，并沿深度逐漸遞減，模擬真空荷載沿深度損失。在荷載幅值曲線中設置荷載-時間表格，模擬現場開泵數量由少到多，穩步施加真空荷載的過程。工程中為了加快固結和提升標高，在吹填土表面吹填黑砂。吹砂過程相當于對吹填土施加永久堆載，通過線性增加的均布荷載來模擬該過程。均布荷載與土體負孔壓荷載同時施加時即模擬真空-堆載聯合預壓作用。同時，在吹填土表面模擬了由于真空度差異導致的氣壓荷載，荷載大小與真空度關聯。

3 分析結果

運用數值模擬方法對吹填土地基的加固過程展開分析，并將計算得到的表層沉降量和孔隙水壓力結果同現場實測值進行對比，以驗證該方法的有效性。

3.1 表層沉降

基于ABAQUS有限元軟件，運用上述計算方法計算吹填土地基的表層沉降，其計算得到的云圖如圖2所示。

圖2 有限元計算得到的沉降云圖Fig.2 Settlement nephogram obtained by finite element calculation

由圖2可知，不同土層產生的沉降量不同，表層土層產生的沉降量最大，約為1.75 m，與現場實測值1.77 m相差不大，僅為1.1%。由此可知采用上述有限元計算方法模擬真空預壓加固吹填土地基的表層沉降是有效的，基本與現場實測結果相吻合。

為了更好地評估該仿真分析方法對于吹填土地基表層沉降量變化趨勢的模擬效果，特將有限元計算結果與實測值進行對比，并將對比結果繪制于圖3之中。

由圖3可知，采用上述有限元仿真方法計算抽真空過程中，吹填土地基表層沉降量變化趨勢與現場實測值基本吻合，由此可知，運用該有限元仿真分析方法計算吹填土地基表層沉降的變化趨勢是有效的。

圖3 有限元計算結果與現場實測結果對比曲線Fig.3 The comparison curve between finite element calculation results and in-site test results

3.2 孔隙水壓力

孔隙水壓力是衡量吹填土地基加固效果的重要指標之一，基于ABAQUS有限元軟件，計算吹填土地基在加固過程中的孔隙水壓力，其計算得到的孔隙水壓力分布云圖如圖4所示。

圖4 有限元計算得到的孔隙水壓力云圖Fig.4 The nephogram of pore water pressure calculated by finite element method

由圖4可知，有限元計算得到吹填土地基中的排水板附近的孔隙水壓力較周邊土體較小，說明排水板作為排水通道可以有效使地基中的孔隙水壓力得到消散。孔隙水壓力分布云圖中顯示，地基5 m深度處的孔隙水壓力大小為41.82 kPa與現場監測值41.17 kPa相差僅為1.5%。在數值上，仿真分析的結果與實測值相差較小。

為了更好地了解該有限元計算方法在計算吹填土地基加固過程中孔隙水壓力的消散情況，特將不同加固時刻、不同深度處的孔隙水壓力大小和變化趨勢繪制于圖5。

圖5 有限元計算結果與現場實測結果對比Fig.5 The comparison of finite element calculation results and in-site test results

由圖5可知，有限元計算得到不同深度的土層在不同加固時刻的孔隙水壓力值與現場實測結果的變化趨勢基本一致，但在數值上還存在一定的差距，尤其在深度較深的土層差異較為明顯（深度超過11 m后計算值與現場實測值差異明顯），其上部土層（5 m、8 m部分）的現場監測結果與有限元仿真結果差異則較小。

4 結語

基于ABAQUS有限元軟件，并將仿真分析結果與現場實測結果進行對比，得到以下結論：

1）真空預壓法加固吹填土地基的過程可以分為“抽真空前期和抽真空加固期”，吹填土地基產生的總沉降量為兩個過程的共同作用結果，在模擬地基土加固過程時，需考慮其綜合作用的影響。

2）本仿真分析模型可有效計算吹填土的沉降量，無論是在沉降量的大小還是變化趨勢上與現場實測結果均十分接近，最大差異不超過1.1%。

3）本仿真分析模型可有效模擬真空荷載作用下吹填土地基的孔隙水壓力大小，也可準確計算出不同加固時刻、不同深度處的孔隙水壓力大小和變化趨勢，計算結果與現場實測結果相差不到20%。